§ 125. Магнитное поле соленоида. Эквивалентность соленоида и полосового магнита.

Длинную цилиндрическую катушку, состоящую из некоторого числа витков проволоки, намотанной по винтовой линии, называют соленоидом. Магнитное поле, которое создается проходящим через эти витки электрическим током, можно представить себе как результат сложения полей, создаваемых отдельными, рядом стоящими витками тока. На рис. 223 показано, как изменяется картина линий магнитного поля по мере того, как мы увеличиваем число витков катушки.

Рис. 223. Картины линий магнитного поля соленоида, полученные при помощи железных опилок при различном числе витков соленоида

Когда длина катушки значительно превосходит ее диаметр, то внутри соленоида линии поля имеют вид прямых, параллельных его оси (рис. 223,г). Это означает, что во всех точках внутри соленоида магнитная индукция поля имеет одно и то же направление: она параллельна оси соленоида. Только вблизи концов соленоида линии магнитного поля искривляются. Вне соленоида магнитное поле подобно полю полосового магнита (рис. 224). Линии поля тянутся от одного конца соленоида к другому, так же, как в случае полосового магнита они тянутся от одного конца магнита к другому. Форма линий вне соленоида также тождественна форме линий соответствующего полосового магнита.

Измеряя каким-нибудь способом магнитную индукцию поля вокруг соленоида и вокруг полосового магнита, мы можем убедиться, что не только по общему виду, но и по распределению магнитной индукции поле вокруг полосового магнита тождественно с магнитным полем соленоида при соответствующем размере его и соответствующей силе тока. У соленоида можно также обнаружить нейтральную зону и полюсы – северный и южный, так что вне соленоида магнитное поле направлено, как и у полосового магнита, от северного полюса к южному. Соленоид, подвешенный на нити, ориентируется в магнитном поле Земли так же, как и подвешенный полосовой магнит. Два соленоида или соленоид и магнит взаимодействуют подобно двум магнитам, и т. д.

Кажущееся различие заключается только в том, что соленоид не только притягивает к себе железные предметы, магнит или другой соленоид, но и может втянуть их внутрь себя. Но это различие обусловливается тем, что внутренность соленоида доступна для проникновения, тогда как внутрь железа проникнуть нельзя. Сходство станет окончательным, если мы заполним внутренность соленоида чем-нибудь твердым, например, навьем соленоид на деревянный цилиндр. Присутствие дерева внутри соленоида практически не изменяет поля соленоида ни вне его, ни внутри. Линии магнитного поля по-прежнему не имеют ни начала, ни конца и проходят сквозь деревянный сердечник соленоида, направляясь вне соленоида от северного полюса к южному, а внутри соленоида от южного полюса к северному (рис. 224).

Рис. 224. Линии магнитного поля: а) полосового магнита; б) длинного соленоида. Концы обмотки ведут к батарее, на рисунке не показанной. Стрелки указывают направление тока в обмотке и направление магнитного поля вне и внутри соленоида

125.1. Провод с током натянут сверху вниз. Так как он оказался слишком длинен, в средней части его изогнули двумя витками (в горизонтальной плоскости). Начертите линии магнитного поля, если ток направлен сверху вниз. Обозначьте на чертеже северный и южный полюсы двух витков. Что произойдет, если переключить ток в противоположном направлении?

125.2. В некоторых приборах (например, в катушках сопротивлений), содержащих длинный, намотанный на стержень провод, нежелательно появление магнитного поля при прохождении тока. В таких приборах устанавливают так называемую бифилярную намотку: на стержень наматывают провод, сложенный вдвое (так что оба конца провода оказываются рядом). Объясните смысл бифилярной намотки.

125.3. Каким концом – северным или южным – обращен к наблюдателю соленоид, если, глядя на этот конец, наблюдатель видит, что ток в соленоиде идет по направлению часовой стрелки?

125.4. Как ориентируется соленоид на поплавке, изображенном на рис. 225?

Рис. 225. К упражнению 125.4